轧辊的制造技术与处理工艺

1.3 离心铸造

图3 是离心铸造轧辊铸型的装配示意图，可采用立式或卧式浇注。用离心铸造法与一体铸造法、溢流铸造法相比具有如下优点: 金属液收得率高，节约大量合金材料，轧辊表面质量得到改善，轧辊强度显著提高，轧辊使用效率明显提高。此外，离心铸造法生产轧辊还具有生产效率高、操作简便和易于控制等特点。因此，离心铸造复合轧辊引起了国内外的重视，目前在我国绝大多数轧辊厂均采用离心铸造法生产轧辊。

1.4 锻造

锻造法的原理最简单，它的生产过程如下: ①浇注一些小型铸坯; ②将浇注的小型铸坯进行电渣重熔; ③锻造铸坯成形; ④热处理前粗加工; ⑤

热处理; ⑥精加工。采用此方法制造的是整体轧辊，因此不存在结合层问题，但是制造过程复杂，费用昂贵。

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轧辊的新型制造技术

为了提高轧辊的耐磨性和强韧性，新型的复合技术在轧辊制造中应用的越来越多。

2.1 连续铸造复合技术

图4为连续铸造复合法( CPC) 装置的总体示意图。它是用一支锻造的钢芯轴，芯轴表面涂助熔剂，用感应线圈对芯轴表面进行预热，熔化的工

作层金属浇入芯轴和带感应线圈的中间包之间，感应线圈加热熔融金属，控制温度使之与芯轴结合。为形成结合层，少量芯轴材料会被熔化，必须

严格控制熔化金属量，以免污染工作层材质。结合层的形成影响着芯轴的下降速度，也就决定了CPC 法的生产效率。相对来讲，CPC 法的生产效

率较低。

2.2 电渣重熔堆焊技术

电渣重熔( electroslag remelting，简称ESＲ) 是利用电流通过熔渣时产生的电阻热来熔化金属的一种熔炼工艺，经电渣重熔得到的辊坯不需锻造，退火后进行机械加工、热处理、精加工而制成轧辊。图5 为电渣重熔堆焊法装置的总体示意图。

技术类似于CPC 法，用电渣重熔来替代感应加热，同时芯轴也不需预涂层，而是由电渣对芯轴进行预热和清洗。该方法通过搅动电渣下面的金属液体，促进结合层的形成。但必须严格控制重熔过程，以免污染工作层材质，这决定了其生产效率低。

2.3 粉末冶金+ 热等静压技术

该技术是将一根焊有钢质容器的锻造钢轴放在装满金属粉末的容器内，在高温高压下进行热等静压( HIP) ，当容器内的粉末体积压缩到75%时，粉末冶金制造出轧辊。这种技术的优点是能够形成非常好的结合层，但是由于需要足够大的HIP 设备，因此不适宜制造大型轧辊。

2.4 喷射成形技术

喷射成形( Spray) 和粉末冶金技术相似，喷雾器将注入冷的惰性气体加速以产生振动波，从而产生雾状的金属液滴，喷涂在接收器的表面并迅速凝固。熔融金属的凝固发生飞行中的热对流和碰到收集表面后的热传导。通过控制整个喷射成形中已沉积表面的形状来决定沉积质量，同时沉积质量又受金属液滴的大小和它们在碰撞之前冷却温度的影响。最终喷射有两种极限沉积状态:颗粒沉淀和非颗粒沉淀。颗粒沉淀模式是指碰撞之前液滴已凝固，这样会导致沉淀是分层的、有方向性且不均匀的。非颗粒沉淀产生与颗粒沉积不同的结构。喷雾器是可控制的，能使颗粒在与沉积表面相碰撞时处于半固态。液态部分在沉积表面形成“糊状带”，固态颗粒在碰撞时分开并粘在“糊状带”表面上。很高的形核速率使沉积层具有致密的、无偏析的显微结构，与传统铸造工艺生产的轧辊相比具有更细的晶粒尺寸。

2.5 液态金属电渣复合技术

液态金属电渣复合法( ESSLM) 是在专门设计的水冷铜型中进行。图6 为ESSLM 工艺示意图。把需复合上外层材料的轧辊芯轴置于铜型中。炉内熔化的钢液通过轧辊芯轴的表面与铜型壁之间的缝隙注入型中，水冷铜型不仅可以使钢液凝固形成复合层，同时也作为非消耗性电极，靠它向渣池中提供电能，以补充不断消耗的热能。轧辊芯轴表面很薄的一层被熔化，需要复合的液态金属来填充，在轧辊芯轴和铜型之间形成复合层，填充的钢液可以是连续的或按预先设定的程序逐步进行。钢液把渣排挤至顶部，并占据渣原来的位置与轧辊芯轴熔化的部分融合，形成复合层。在复合过程中，融合凝固后的部分从铜型中拉出( 或复合的锭子被固定时，铜型沿辊轴提升)并进行下一部分的连续浇注。这种新技术最为重要和独特的优点之一是生产效率高，ESSLM 方法的生产效率是传统电渣重熔方法的几十倍。更为重要的优点是它可以使用各种化学成分的材料进行复合，诸如: 铸铁、高速钢、工具钢、不锈钢、耐热镍基合金等，包括了那些既不能用冷加工也不能用热加工的方法固态成形的材料。因为这些材料不易加工成形，也就不可能用于传统的电渣重熔方法。使用ESSLM 技术已经生产了新一代高速钢材质的复合轧辊，这种轧辊含碳化物形成元素的总量大于25%，轧辊使用寿命提高了数倍，不但能抵抗热疲劳，还耐各种腐蚀。

2.6 组合轧辊制造技术

组合轧辊也称为CIC ( Cast-In-Carbide) 轧辊，它包括辊环和辊身，其中辊环由硬质合金用铸造的方法与球墨铸铁熔合制成。组合轧辊示意图如

图7 所示。轧辊上的扭矩通过冶金结合层传递到硬质合金环上，使得辊环上的应力降到最小。和使用机器的方式将硬质合金固定到辊上的办法对比，其具有十分明显的优势，大规模的轧辊使用CIC 复合轧辊效果更佳。

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轧辊的处理工艺

轧辊在轧制过程中承受弯曲、摩擦、冲击等作用，主要会产生辊面剥落和辊面磨损。因此一般要求其轧辊表面具有高的强度、硬度、耐磨性以及疲劳极限。这些表面性能除了和轧辊的材料有关，还和轧辊的表面处理工艺相关。轧辊的表面处理工艺主要包括轧辊整体淬火工艺、感应加热淬火工艺、堆焊工艺、热喷涂工艺、热喷焊工艺和激光表面改性工艺等。

3.1 整体淬火工艺

整体淬火是将轧辊整体均匀加热到奥氏体化温度进行淬火，同时辊颈用绝热材料加以保护以保证其保持较好的韧性。整体淬火工艺会造成轧辊表面产生很高的残余压应力，使轧辊具有淬硬层浅、基体薄弱、抗事故能力差等缺点。

3.2 感应加热淬火工艺

感应加热淬火工艺是利用高频交流磁场对轧辊进行接连的两次加热，使轧辊表面被迅速加热到临界温度之上，然后快速冷却获得马氏体。通常是通过两个工频感应圈对轧辊进行接连的两次加热，用一个工频感应线圈和一个中频感应线圈先后对轧辊进行加热，以保证加热层的深度及温度的均匀性。目前国内常用的是比利时OSB 公司的双频淬火机床，如常州冶金机械厂、武钢、宝钢都引进了该产品。国内自己生产的主要是由北满特钢生产的双频淬火机床。但是感应加热淬火工艺局限于表层一定深度内，轧辊内部温度仍较低，所以不能保证所有淬火面都能获得均匀的表面淬火层等，从而使工艺发展受到一定限制。

3.3 堆焊工艺

轧辊在损坏后需要对其表面进行修复，堆焊工艺是常用的修复工艺，是通过电焊或气焊法把金属熔化，堆在轧辊表面。虽然堆焊工艺能够保证轧辊的耐磨性，但是整个工艺复杂度过高，生产率低下，对劳动者的技术要求较高，同时轧辊在堆焊时会产生气孔、裂缝、夹渣等问题。

3.4 热喷涂工艺

热喷涂工艺是将熔化或者半熔化的喷涂材料高速喷涂在轧辊表面，从而形成微冶金结合或者机械结合的涂层。由于涂层与基材之间结合强度较低，主要是机械结合，从而导致涂层存在空隙和残余应力，使轧辊韧性、切削加工性较差。同时喷涂过程中材料利用率低，操作过程中对工人健康

存在一定的危害。

3.5 热喷焊工艺

热喷焊工艺是在热喷涂工艺基础上，在喷涂层再进行一次重熔处理，使喷涂层与基体表面材料达到熔融状态后，进一步形成更紧密的冶金结合层。具体做法是将自熔性合金粉末先喷涂在基材上，在基材不熔化的情况下使其湿润基材表面并熔化到基材上而形成冶金结合，形成所需要的致密喷焊层。它们形成冶金结合是由于液态合金与固态基材表面之间的相互熔结和扩散而形成了一层新的表面合金。热喷焊可以看成是合金喷涂和金属堆焊两种工艺的复合，它克服了热喷涂层结合强度低、硬度低等缺点，同时由于使用了高合金粉末使喷焊层具有一系列特殊的性能，这是一般堆焊所不具备的。

3.6 激光表面改性工艺

激光强化是通过高密度、高能力的激光束对轧辊进行照射，使轧辊表面温度瞬间升高，从而造成轧辊表面的组织改性。因此具有热处理区域自动控制精度高、强化区组织高度细化、工件热变形小以及利用点加工或线扫描加工方式可以获得软硬相同、强韧兼顾的离散强化表层等一系列优点。通常采用激光相变硬化、激光熔凝、激光熔覆、激光合金化、激光毛化等工艺手段来改变和优化轧辊表面组织，从而可以有效提高轧辊表面的硬度及耐磨性，进而提高轧辊的使用寿命。

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结束语

随着冶炼技术的发展，轧辊的制造技术和表面处理工艺得到了快速的发展。我国在轧辊制造技术和产品研发方面尽管有了很大发展，但与国际先进水平相比较，还是存在一定的差距。为了提高我国轧辊生产制造技术，希望广大科研人员和制造、使用厂家齐心协力，提高轧辊的生产制造技术，努力赶超世界先进水平。

作者：文/宝山钢铁股份有限公司冷轧厂.刘勤博

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